DE4016973C1

DE4016973C1 -

Info

Publication number: DE4016973C1
Application number: DE4016973A
Authority: DE
Inventors: Wolf Dipl.-Phys. Dr. 7400 Tuebingen De Buechtemann; Guenter 6900 Heidelberg De Wichmann
Original assignee: Eltro Gesellschaft fur Strahlungstechnik 6900 Heidelberg De GmbH
Current assignee: Eltro Gesellschaft fur Strahlungstechnik 6900 Heidelberg De GmbH
Priority date: 1990-02-24
Filing date: 1990-05-25
Publication date: 1991-06-13
Anticipated expiration: 2010-05-26
Also published as: EP0444402A3; US5118180A; EP0444402A2; JPH04215089A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Ermittlung der Sichtweite für Autofahrer, die sich in einer Zone geringer Sichtweite, insbesondere in einer inhomogenen Nebelbank bewegen, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie auf eine Schaltungsanordnung zur Durchführung dieses Verfahrens gemäß Patent DE 40 05 919 C1.

Für die Signalverarbeitung gemäß dem Hauptpatent bedient man sich des sogenannten Samplingverfahrens, das eine Signaldehnung und eine -mittelung über verschiedene, aufeinanderfolgende Laserimpulse bewirkt. Die Praxis hat jedoch erwiesen, daß in manchen Anwendungsbereichen zuweilen noch eine größere Effektivität und Flexibilität wünschenswert wäre.

Aufgabe der Erfindung ist es, die Sichtweitebestimmung vor allem für innerhalb einer Nebelbank fahrende Autofahrer dahingehend zu verbessern, daß laufend die durch ihre inhomogene Durchsichtigkeit bedingte Sichtweitenveränderung angezeigt wird. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Kennzeichnungsmerkmale des Verfahrensanspruchs 1 sowie bezüglich der Anordnung durch Anspruch 5 gelöst. Von Vorteil ist hierbei u. a., daß vergleichsweise einfache Maßnahmen wie z. B. jene mit der Ausgleichskurve eine Frühwarnung vor dichter werdendem Nebel darstellt, während der Reflexionsfaktor über durch Niederschläge und Temperatureinflüsse bedingte Zustandsverhältnisse der Fahrbahndecke Aufschluß gibt.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Im folgenden werden an Hand einer Zeichnung Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert, wobei die in den einzelnen Figuren einander entsprechenden Teile dieselben Bezugszahlen aufweisen. Es zeigt

Fig. 1 eine Prinzipskizze des erfindungsgemäßen Verfahrens mit eingezeichneten Berechnungsdaten,

Fig. 2 das generelle Prinzip-Blockschaltbild,

Fig. 3 das empfangsseitige Blockschaltbild und

Fig. 4 einen speziellen Anwendungsfall der Erfindung für die eine Fahrtrichtung einer Autobahn.

In Fig. 1 fährt der mit ausgezogener Linienführung dargestellte PKW 1 mit einem bestimmten Abstand hinter dem LKW 2. Im Frontbereich des PKWs ist ein nach dem Impulslaufzeitverfahren arbeitender Lasersende- und Empfangsmodul 3 befestigt, dessen optische Achse sich durch ein zeichnerisch nicht näher dargestelltes opto-mechanisches oder elektrooptisches Element in einer zur Fahrtrichtung vertikalen Ebene verschwenken läßt. Die hierbei auftretenden Reflexionen in den Positionen a bis n der Fahrbahndecke 4 werden im Inneren des PKWs nach entsprechender opto-elektronischer Umformung und Signalverarbeitung auf der Anzeige 12 (Fig. 3) visuell und/oder akustisch dem Autofahrer kenntlich gemacht. Die Signalverarbeitung kann eine Dehnung und Mittelung des relektierten Signals über eine Reihe aufeinanderfolgender Laserimpulse einschließen wie dies unter dem Begriff des Samplingverfahrens verstanden wird. Insofern handelt es sich um bekannten Stand der Technik.

Die Ausgangsleistung P wird vorzugsweise durch die Empfangsdiode 6 (Fig. 2 und 3) mittels der Lichtbrücke 7 gemessen, die über einen Satz halbdurchlässiger Spiegel oder - bei einem anderen, zeichnerisch nicht dargestellten Ausführungsbeispiel - durch eine Glasfaserverbindung einer definierten Teil der Ausgangsstrahlung auf die Empfangsdiode lenkt. Das empfangene, auf P normierte Signal E/P ist abhängig von der Entfernung r_i, bei der die Reflexion erfolgt, von dem Reflexionskoeffizienten ρ der Fahrbahndecke 4 und dem Extinktionskoeffizienten σ der Atmosphäre und ergibt sich rechnerisch zu:

wobei
r_i = Entfernung der reflektierenden Fläche vor dem PKW
ρ = Reflexionskoeffizient der Fahrbahndecke
σ = Extinktionskoeffizient der Atmosphäre
V_n = Normsichtweite, d. h. diejenige Strecke, auf der die Transmission den Wert 2% (oder 5%) annimmt.

Grundsätzlich sind nur Sichtweiten von maximal ca. 200 m von Interesse. Die genaue Entfernung r_i ist über die Laufzeit bekannt, während ein genauer Wert des Reflexionskoeffizienten ρ bei richtiger Wahl der Entfernung von untergeordnetem Einfluß ist. Am einfachsten dürfte es sein, wenn man für ρ eine plausible Annahme trifft. Bei der Berechnung des Extinktionskoeffizienten σ dagegen elminiert man gemäß Gleichung (5) den a priori unbekannten Reflexionskoeffizienten ρ durch Messung der Reflexion vom selben Ort - z. B. von Position c in Fig. 1 - aus unterschiedlicher Entfernung. Hiervon abgesehen ist der Wert des empfangenen Signals E/P ein direktes Maß für den Extinktionskoeffizienten σ, wobei letzterer mit der Normsichtweite V_n durch die Beziehung V_n = k/σ verknüpft ist.

Gleichung (1) bedeutet in Anwendung auf Fig. 1:

Durch Quotientenbildung der Gleichungen (3) und (4) ergibt sich bei konstanter Ausgangsleistung P:

Eine größere Effektivität und Flexibilität läßt sich nun gemäß der Erfindung durch folgende die Signalverarbeitung 13 der Fig. 3 betreffende Maßnahmen erzielen: Nach Detektion des Signals durch die Empfangsdiode 6, seiner optronischen Umwandlung und seiner Verstärkung im Vorverstärker 8 wird das Signal dem CCD-Schieberegister 9 (CCD = Charge Coupled Device), einem Ladungskoppelelement, zugeführt. Letzteres verfügt über zwei getrennte Eingangs-/Ausgangs-Taktgeneratoren 10 und 11.

Wird nun das CCD-Schieberegister 9 z. B. mit einem Eingangstakt von 100 MHz geladen, so wird bei 128 verfügbaren Stufen ein Zeitraum von 1,28 µs gespeichert, was einer Entfernung von 192 m entspricht (Auflösung: 10 ns = 1,5 m). Wird das CCD-Schieberegister dagegen mit einer Taktrate von nur 5 MHz ausgelesen (Signaldehnung: Faktor 20), so kann - als zweiter Schritt - eine Weiterverarbeitung mit Bausteinen geringerer Bandbreite und damit auch geringerer Kosten durchgeführt werden. Die Gesamtauslesezeit beträgt im angenommenen Beispiel 25,6 µs, was an die maximale Laser-Pulsfolgefrequenz gut angepaßt ist.

Als weitere (analoge und/oder digitale) Signalverarbeitung kann nun die an sich bekannte und vorstehend bereits erwähnte Mittelung über mehrere Laserimpulse bis ca. 100 ms sowie die Ermittlung einer Ausgangskurve für Signale als Funktion verschiedener Entfernungen erfolgen. Hieraus ergibt sich ein Verlauf, der für den Extinktionskoeffizienten 6 typisch ist. Bei geeigneter Signalverarbeitung, speziell einer sogenannten r²-Korrektur, ist die Ausgleichskurve eine Gerade, sofern die atmosphärischen Bedingungen konstant sind. Abweichungen hiervon lassen im Fall von Nebel darauf schließen, daß derselbe in einer bestimmten Entfernung vor dem PKW 1 (Fig. 1) dichter zu werden beginnt. Unter r²-Korrektur versteht man die Multiplikation der Signale mit dem Quadrat der Entfernung. Bei konstanten Umgebungsbedingungen und einer halblogarithmischen Darstellung ergibt sich eine lineare Abhängigkeit. Die Steigung dieser Geraden ist direkt proportional dem Extinktionskoeffizienten σ. Eine elektronische, prozessorgestützte Auswertung der Signale aus verschiedenen Entfernungen erlaubt eine Bestimmung von σ ohne vorausgehende Bestimmung von E/P. Für die Praxis ergibt sich dadurch die Möglichkeit einer Früherkennung vor dichter werdendem Nebel.

Fährt z. B. der PKW 1 in Fig. 1 von Position a nach Position b und betrachtet man die Signale, die von Position c kommen, so rührt die Änderung des Signals - von geometrischen Faktoren abgesehen - nur von der Änderung der atmosphärischen Dämpfung her, das heißt der Reflexionsfaktor ρ hat keinen Einfluß auf eine Änderung (genauer: den Quotienten) der Signale (s. Gl. 5). Hiermit läßt sich der Extinktionskoeffizient σ genauer bestimmen und damit wiederum der Reflexionsfaktor ρ der Fahrbahndecke 4. Derselbe hängt speziell bei flachem Einfalls- und Beobachtungswinkel im wesentlichen vom witterungsbedingten Straßenzustand, also der Trockenheit, Nässe oder einem eventuellen Eisbelag ab. Diese Methode ermöglicht demnach prinzipiell auch eine Aussage über die für einen Kraftfahrer wichtigen Zustandsverhältnisse der von ihm befahrenen Fahrbahndecke.

Bei einem anderen, zeichnerisch nicht dargestellten Ausführungsbeispiel ist es ferner vorstellbar, daß das Empfangsmodulteil mit einer Polarisationsweiche ausgerüstet ist, so daß dann separat reflektierte Strahlung mit einer Polarisationsachse parallel zum linear polarisierten Sendestrahl und senkrecht zu diesem gemessen werden kann. Auf diese Weise wird der Depolarisationsgrad der Strahlung festgestellt, der auch wieder vom Zustand der Fahrbahndecke abhängt: Eine trockene Fahrbahn bewirkt eine starke, eine nasse oder vereiste Fahrbahn dagegen eine geringere Depolarisation.

Die Sichtweite kann mit den vorgeschlagenen Maßnahmen auch bestimmt werden, wenn die Strahlung von dem vorausfahrenden LKW 2 (Fig. 1) oder von anderen Objekten auf oder neben der Fahrbahn 4 reflektiert wird. Entspricht hierbei die Geschwindigkeit nicht der Sichtweite, wird der Fahrer über die Anzeige 12 und/oder gegebenenfalls auch akustisch gewarnt.

Ein zusätzliches Problem bei herkömmlichen Kollisionswarnsystemen ergibt sich durch die Falschalarme. Im anstehenden Fall bietet sich hierfür folgende Umgehungsmöglichkeit an: Man geht davon aus, daß Hindernisse, deren Entfernung deutlich kleiner als die Sichtweite ist, gesehen werden, so daß in diesen Fällen eine Warnung nicht notwendig ist. Gefährlich sind hingegen Objekte, die bei nicht angepaßter Geschwindigkeit eine Entfernung haben, die in etwa der Sichtweite entspricht oder deren Entfernung größer als die Sichtweite ist. Letzterer Fall setzt natürlich voraus, daß das Sichtweitemeßsystem eine Reichweite besitzt, die größer ist als diejenige der Sichtweite. Das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 4 möge dies verdeutlichen: Das Meßsystem des hinteren Fahrzeugs 1 mit der Geschwindigkeit v₁ wird eine Warnung abgeben, wenn die Relativgeschwindigkeit zum Fahrzeug 2, v₁-v₂, einen sichtweiteabhängigen Wert überschreitet. Das System des Fahrzeugs 2 warnt, wenn die Straße - wie dargestellt - eine scharfe Biegung macht, die Biegung nicht oder nicht sofort gesehen werden kann und gleichzeitig die Geschwindigkeit zu hoch ist. Hindernisse können hier durch die in Fig. 1 angedeutete Diskontinuität der Entfernung - PKW 1 ist in zwei Entfernungen zum vorausfahrenden LKW 2 dargestellt - erkannt werden: Das System tastet die Meßpunkte a bis n ab. Hierbei vergrößert sich bei freier Straße die Entfernung in systematischer Weise, wobei der genaue Verlauf zwar von Änderungen der Straßenneigung und dem Nickwinkel des Fahrzeugs abhängt, der generelle Verlauf aber vergleichbar ist. Ein Hindernis unterbricht diesen Verlauf und wird dadurch als solches erkannt.

Die Normsichtweite V_n schließlich ist eine eindeutig definierte Größe. Die tatsächliche visuell relevante Sichtweite hängt von verschiedenen Umweltparametern ab, wie z. B. der Umgebungshelligkeit bzw. der Helligkeit der Fahrbahndecke. Diese kann in einfacher Weise durch Messen des DC-Stromes an dem Leitungszweig 14, 15 in Fig. 3 ermittelt und zur Berechnung der reellen Sichtweite verwendet werden.

Claims

1. Verfahren zur Ermittlung der Sichtweite für Autofahrer, die sich in einer Zone geringer Sichtweite, z. B. in einer inhomogenen Nebelbank bewegen, unter Verwendung eines im Frontbereich des Fahrzeugs montierten Lasersende- und -empfangsmoduls, dessen optische Achse in einer zur Fahrtrichtung vertikalen Ebene so verschwenkbar ist, daß die entsprechenden Reflexionen an der Fahrbahndecke im Autoinneren nach optronischer Umformung einer Dehnung und Mittelung des Signals über eine Reihe aufeinanderfolgender Laserimpulse (Samplingverfahren) zugeführt und auf einer Anzeige dem Autofahrer visuell und/oder akustisch kenntlich gemacht werden, nach Patent DE 40 05 919 C1, dadurch gekennzeichnet, daß

a) für Signale als Funktion unterschiedlicher Entfernungen unter Zuhilfenahme einer sogenannten r²-Korrektur eine Ausgleichskurve ermittelt wird, deren geometrische Beschaffenheit eine Frühwarnung vor dichter werdendem Nebel ermöglicht,
b) zwecks Bestimmung der Normsichtweite V_n der mit ihr mathematisch verknüpfte Extinktionskoeffizient σ aus dem Verhältnis von ausgestrahlter zu empfangener Leistung P/E ermittelt wird und/oder
c) das empfangene und optronisch umgeformte Signal einem CCD-Schieberegister (9) zugeführt und über dessen Speicherzeit auf die Entfernung zu einem vor dem Autofahrer befindlichen Hindernis geschlossen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß über den Extinktionskoeffizienten σ der Reflexionsfaktor ρ der Fahrbahndecke (4) sowie über Umweltparameter, wie die Umgebungshelligkeit bzw. die Helligkeit der Fahrbahndecke, die visuell relevante Sichtweite bestimmt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mit Hilfe einer Polarisationsweiche die von der Fahrbahndecke (4), dem vorausfahrenden Fahrzeug (2) oder einem anderweitigen Hindernis separat reflektierte Strahlung parallel zur linear polarisierten Sendestrahlung und senkrecht zu dieser gemessen wird.

4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Umgebungshelligkeit bzw. die Helligkeit der Fahrbahndecke (4) als Funktion des DC-Stroms an dem Leitungszweig (14, 15) der Empfangsdiode (6) gemessen wird.

5. Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die von einer Sendediode (5) des Lasersende- und Empfangsmoduls (3) ausgestrahlte Leistung P mittels einer Empfangsdiode (6) dieses Moduls über eine Lichtbrücke (7) gemessen wird, die ihrerseits einen definierten Teil der Ausgangsstrahlung über die Empfangsdiode, eine Vorverstärkung (8), das CCD-Schieberegister (9, 10, 11) und die Signalverarbeitung (13) führt sowie das Ergebnis auf der Anzeige (12) sichtbar macht.

6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtbrücke (7) für die Ermittlung der Ausgangsstrahlung P aus einer Glasfaserverbindung oder einem Satz halbdurchlässiger Spiegel besteht.

7. Schaltungsanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das CCD-Schieberegister (9) über zwei getrennte Eingangs- bzw. Ausgangs-Taktgeneratoren (10; 11) verfügt.

8. Schaltungsanordnung nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß dem Empfangsmodulteil eine Polarisationsweiche integriert ist.